食用菌工廠化生產(chǎn)線多工位搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

張 玲， 許洪江， 黃大志， 吳天磊

（1連云港貝斯特機(jī)械設(shè)備有限公司， 江蘇 連云港 222000； 2淮海工學(xué)院機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

引言

食用菌的工廠化生產(chǎn)模式在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較早，國(guó)外的食用菌工廠化生產(chǎn)技術(shù)比較成熟[1]。國(guó)外尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家包括搬運(yùn)輸送設(shè)備在內(nèi)的食用菌生產(chǎn)設(shè)備比較齊全，自動(dòng)化程度較高，但設(shè)備成本也較高[2]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，食用菌的工廠化生產(chǎn)模式在我國(guó)掀起了熱潮，國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)紛紛加入了此生產(chǎn)行列中。如北京、上海的多家食用菌生產(chǎn)公司通過(guò)學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外食用菌工廠化生產(chǎn)的成功模式，結(jié)合原有技術(shù)進(jìn)行改造，配備先進(jìn)設(shè)備，取得了一定成效[3]?？傮w來(lái)看，我國(guó)食用菌的工廠化生產(chǎn)模式仍處于發(fā)展階段，尤其是全自動(dòng)化水平較低，關(guān)鍵問(wèn)題主要是搬運(yùn)、收割等環(huán)節(jié)主要依賴人工，與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距較大。目前，我國(guó)中小型工廠化生產(chǎn)食用菌一般人工搬運(yùn)和輸送，而大型工廠化生產(chǎn)食用菌一般引進(jìn)日本和韓國(guó)的搬運(yùn)輸送設(shè)備。所以很有必要針對(duì)國(guó)內(nèi)食用菌工廠化生產(chǎn)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的搬運(yùn)機(jī)器人，提升工廠化生產(chǎn)的水平。

1 方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，為機(jī)器人在食用菌工廠化生產(chǎn)線上的具體工作狀態(tài)圖。一般情況下每筐有16個(gè)食用菌瓶，總重量不超過(guò)30 kg，另外考慮到生產(chǎn)線工作空間狹窄，能夠放置機(jī)器人等設(shè)備的空間有限。因此設(shè)計(jì)要求為搬運(yùn)對(duì)象為30 kg，最小臂長(zhǎng)的設(shè)定是500 mm，搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。擬設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人主要關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，只有手抓是伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此選用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

圖1 機(jī)器人工作狀態(tài)圖

為了保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，尤其是機(jī)械人腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度（對(duì)抓取和放置菌筐很重要）要求比較高，故采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槭直壑亓枯^大，且需要實(shí)現(xiàn)快速提起和放下等運(yùn)動(dòng)，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)。為了保證運(yùn)動(dòng)的精度采用液壓伺服控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大小臂運(yùn)動(dòng)的精確控制。手腕部位主要是為了微小調(diào)整最后抓取和放置的姿態(tài)，需要一定的精度，使用伺服電機(jī)即可方便實(shí)現(xiàn)。手抓要求快速準(zhǔn)確，使用氣壓系統(tǒng)最為合適，手爪的張開(kāi)和夾緊通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手爪在氣缸推力作用下使手爪張開(kāi)和閉合。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該搬運(yùn)機(jī)器人具有六個(gè)自由度（包括手抓），機(jī)器人本體通過(guò)螺釘固定在底板上，再利用底板上預(yù)留的通孔固定在生產(chǎn)線附件的地腳螺栓上。機(jī)器人腰部是一個(gè)由大功率步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、腰部主軸、臂部底座以及軸承等組成，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪副將動(dòng)力傳遞到腰部主軸上，主軸與臂部底座固接在一起，能夠帶機(jī)器人上部360°轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)器人大臂由立柱、大臂構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、兩個(gè)液壓缸組成。兩個(gè)液壓缸的底部鉸接固定臂部底座上，缸桿頂端鉸接固定在大臂構(gòu)件上，這兩個(gè)液壓缸串聯(lián)連接，油路交叉配置保證兩個(gè)液壓缸方向相反的同步工作，帶動(dòng)大臂以運(yùn)動(dòng)副為中心擺動(dòng)。

機(jī)器人中臂由中臂構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、液壓缸組成。中臂構(gòu)件兩端分別通過(guò)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副與大臂和小臂相連接，液壓缸底部鉸接固定在大臂構(gòu)件上，頂部鉸接固定在中臂上。隨著液壓缸的伸縮，中臂以運(yùn)動(dòng)副為中心擺動(dòng)。

機(jī)器人小臂由小臂構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、液壓缸組成。小臂構(gòu)件一端通過(guò)運(yùn)動(dòng)副與中臂相連接，另一端與腕部相聯(lián)。液壓缸底部鉸接固定在中臂構(gòu)件上，頂部鉸接固定在小臂上。隨著液壓缸的伸縮，小臂以運(yùn)動(dòng)副為中心擺動(dòng)。

機(jī)器人腕部由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、法蘭盤組成。步進(jìn)電機(jī)固定在小臂上，它通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)安裝在法蘭盤上的手抓實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

機(jī)器人手抓有氣缸、法蘭盤、手抓組成。氣缸固定在法蘭盤上與機(jī)器人腕部相連，通過(guò)氣缸的伸縮帶動(dòng)手抓張開(kāi)閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌筐的抓放。

3 液壓與氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，考慮到機(jī)械手臂的兩個(gè)水平、垂直類型的線性運(yùn)動(dòng)的自由度及兩個(gè)腰部的回轉(zhuǎn)和腕部的回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自由度共同組成的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂。經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)有可能影響到本次設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮后，最終決定機(jī)械手臂的大小臂都選用單活塞桿液壓缸，來(lái)完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能。在液壓系統(tǒng)中還有電機(jī)帶動(dòng)的齒輪泵、濾油器、溢流閥、電液換向閥、單向閥和節(jié)流閥等元器件。油液借助管路經(jīng)齒輪泵和濾油器后供給到各個(gè)液壓缸，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的需要，必然有些液壓缸為伸出、有些液壓缸為縮回，這些都是通過(guò)電液換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

氣壓系統(tǒng)主要是滿足手抓的工作要求，分析比較后選擇LG系列氣缸。在氣壓系統(tǒng)中還包括氣源、儲(chǔ)氣罐、油水分離器、減壓閥、油霧器、壓力表、壓力繼電器和電磁換向閥等組成。氣源主要來(lái)自壓縮空氣機(jī)供給的壓縮空氣，經(jīng)油水分離器、減壓閥和油霧器后供給氣缸。換向閥來(lái)決定氣缸的伸縮，進(jìn)而完成手抓的開(kāi)合。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人一開(kāi)始在原點(diǎn)位置，啟動(dòng)按鈕按下后，機(jī)械手臂啟動(dòng)，其水平液壓缸驅(qū)動(dòng)手臂向前伸至限位；電磁閥通電后垂直液壓缸驅(qū)動(dòng)手臂下降，同時(shí)手爪的電磁閥也通電并隨之下降至限位，接著將電磁閥斷電，停止其工作，手抓由其氣缸的吸氣放氣來(lái)驅(qū)動(dòng)夾緊菌筐；將電磁閥進(jìn)行通電后，機(jī)械手臂由垂直液壓缸驅(qū)動(dòng)上升至限位停止。

選擇三菱的FX2N-32MT為主控制器，外加一個(gè)AD7520模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。共計(jì)13個(gè)輸入和6個(gè)輸出，外加6個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出端子。

5 結(jié)論

完成了機(jī)器人的基座、腰部、大中小臂、手腕和手抓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其氣液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的六自由度以及電氣液結(jié)合的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，基本能夠滿足食用菌工廠化生產(chǎn)線搬運(yùn)的需要。